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科研进展

我室李映伟教授团队Nature Communications:糠醛高值转化合成生物航油

发布时间:2022-05-14 访问次数:42

近日,华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室李映伟教授团队设计了一种亚纳米Cu团簇催化剂,实现了生物质平台分子糠醛高值转化合成生物航油。该成果以“Subnanometric Cu clusters on atomically Fe-doped MoO2 for furfural upgrading to aviation biofuels”为题,在线发表于国际著名期刊Nature Communications。该论文的第一作者是在读博士生赵鑫,通讯作者分别为李映伟教授、房瑞琪副教授。

  单团簇催化剂 (SCC) 具有可修饰的单团簇位点 (Mx) 和载体,因而被视作多相催化反应的多功能助推剂一方面,通过调节Mx的金属类型和原子数目可以定性地调变其拓扑结构;另一方面,通过向载体中均匀引入不同的掺杂剂可以精准地调节Mx的电子性质。制备高效的单团簇催化剂对于前沿催化应用的发展具有十分重要的意义,但依然是现阶段催化领域的挑战性难题。

  研究团队通过阳离子交换扩散策略和随后的热解过程,制备出分散在原子级Fe掺杂MoO2载体上的亚纳米Cu团簇,并将其应用于催化生物质平台分子糠醛 (FFA) 高值转化合成生物航油中间体。

  (1) 通过阳离子交换扩散策略和随后的热解过程,将亚纳米Cu团簇锚定于掺铁MoO2纳米晶体上(Cu4/Fe0.3Mo0.7O2@C)所制备的纳米复合材料具有多壳中空分级多孔八面体结构。球差校正电镜和同步辐射结果表明,所得Cu团簇的组成、结构均一 (平均由四个Cu原子组成的四面体,即Cu4);并且均匀地锚定于原子级Fe掺杂的超细MoO2纳米晶体上。

  (2) 精确调节Cu4/Fe0.3Mo0.7O2@C催化剂中Cu团簇的电子性质。原子级Fe的引入能够显著改变MoO2载体的电子结构,进而实现亚纳米Cu4团簇内的电荷再分布。

  (3) 所得Cu4/Fe0.3Mo0.7O2@C催化剂在催化糠醛与C3~C10/仲醇氧化偶联制备相应C8~C15/酮产物(生物航空燃油前体)的反应中表现出优异的催化性能,优于常规方法制备的催化剂。进一步地,利用密度泛函理论(DFT) 计算和控制实验证实了Cu4/Fe0.3Mo0.7O2@C的组成和结构优势,并且首次在原子层面揭示了此氧化偶联反应的底物演化过程、中间产物行为和反应机理。

  该研究通过对载体进行均一的原子级修饰,实现了对金属单团簇电子结构的精准调节,有望为设计制备具有可调节的表界面电子性质的先进催化剂及其在前沿催化领域的应用提供新思路。

李映伟教授团队主要从事金属有机骨架基材料工业催化基础研究,近来在生物质基分子的高效催化转化方面取得系列进展,相关成果发表在J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 16068Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 23729Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 10842Chem. Sci., 2022, 13, 4647等期刊,应邀在 Chem. Soc. Rev., 2020, 49, 3638撰写有关生物质催化转化综述。

  论文信息:

  Zhao, X., Wang, F., Kong, X., Fang, R. & Li, Y., Subnanometric Cu clusters on atomically Fe-doped MoO2 for furfural upgrading to aviation biofuels. Nat. Commun., 13, 2591 (2022). 

  https://doi.org/10.1038/s41467-022-30345-0